自升式平臺(tái)特殊工況插樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

王明亮

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

自升式海洋平臺(tái)是一種廣泛應(yīng)用在海洋石油開發(fā)、風(fēng)電安裝、海洋牧場(chǎng)等領(lǐng)域的一種平臺(tái)，平臺(tái)在就位時(shí)，將樁腿插入地基，通過地基提供平臺(tái)作業(yè)支撐力，完成作業(yè)后，將樁腿拔出，平臺(tái)移位。在平臺(tái)插樁之前，需要進(jìn)行地質(zhì)勘探，根據(jù)平臺(tái)自身情況和地勘資料選擇持力層，否則容易形成穿刺，造成平臺(tái)失穩(wěn)和傾覆。

隨著工程用平臺(tái)種類增加，插樁地基情況日趨復(fù)雜化，對(duì)平臺(tái)插樁作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析難度加大，本文以某一不帶樁靴的圓筒式樁腿自升式平臺(tái)為例，選擇一種特殊巖石基礎(chǔ)插樁工況，對(duì)插樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，為工程施工提供理論建議，為類似工況風(fēng)險(xiǎn)分析提供參考。

1 平臺(tái)簡介

平臺(tái)主要參數(shù)見表1，平臺(tái)模型圖見圖1。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)

圖1 平臺(tái)模型圖

2 地基情況簡介

經(jīng)過基礎(chǔ)開挖、插樁位置炸礁后，形成一個(gè)樁腿內(nèi)側(cè)距離1:0.75、坡肩安全距離為4米的平臺(tái)，此時(shí)樁腿直接插在巖石表面，插樁位置示意圖見圖2。

圖2 插樁位置示意圖

對(duì)于這種插樁工況，插樁位置兩側(cè)均為爆破之后的巖石邊坡，巖體邊坡由中風(fēng)化白云巖構(gòu)成，巖體基本性質(zhì)如下：

灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎～較完整，巖芯呈短柱狀，塊狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，局部見有溶蝕現(xiàn)象。按巖體完整程度中風(fēng)化白云巖屬較破碎巖體；按巖石堅(jiān)硬程度分類，中風(fēng)化白云巖為較硬巖；巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。分析的重點(diǎn)在于拋石船樁腿插樁深度和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估。

3 樁腿插入深度分析及水平抗力計(jì)算

3.1 樁腿插入深度分析

樁腿的插入深度取決于插樁力強(qiáng)度與巖石地基承載力的對(duì)比，因此，對(duì)于樁腿的插樁力強(qiáng)度和巖石地基承載力分別進(jìn)行分析。

3.1.1 樁腿插樁力強(qiáng)度

樁腿為圓柱形，底部無樁靴，內(nèi)部分布有“興”字興剛性分隔板，見圖3。

圖3 樁腿底部

經(jīng)過計(jì)算可知：

樁腿端部凈截面：A=0.812m2，樁腿全截面面積：A= 6.158m2。

按照樁端凈截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為：

2200*9.81/0.812=26.58MPa；

按照全截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為：

2200*9.81/6.158=3.50MPa；

在 1200 噸插樁力的作用下：

按照樁端凈截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為：

1200*9.81/0.812=14.50MPa；

按照全截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為：

1200*9.81/6.158=1.91MPa。

3.1.2 巖石地基承載力

巖石地基承載力計(jì)算公式如下:

fa=ψrfrk

其中：ψr為巖石地基承載力折減系數(shù)，frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，根據(jù)地勘報(bào)告，對(duì)于中風(fēng)化白云巖，單軸抗壓強(qiáng)度為frk= 34.21MPa ，巖體完整性等級(jí)為較破碎～較完整。

（1）對(duì)于較破碎巖體，ψr取 0.1～0.2，則巖石地基承載力為：3.42～6.84MPa,上述最小值略小于樁腿全截面受力的插樁力強(qiáng)度3.50MPa，但因?yàn)閹r石地基承載力包含3倍的安全系數(shù)，所以插樁狀態(tài)下，巖體可以承擔(dān)樁腿全截面插樁力，但不足以承擔(dān)樁腿凈截面插樁力強(qiáng)度。

（2）對(duì)于較完整巖體，ψr取0.2～0.5，則巖石地基承載力為：6.84～17.11Mpa，上述最小值大于樁腿全截面受力的插樁力強(qiáng)度 3.50MPa；但不足以承擔(dān)樁腿凈截面插樁力強(qiáng)度。由此可見，拋石船樁腿最多插入巖體1.5米，達(dá)到樁腿全截面受力狀態(tài)；上述巖石地基承載力是基于巖體完整性等級(jí)的設(shè)計(jì)值，而拋石船樁腿插樁面積較小，可能存在插樁位置局部巖體完整性較好，使得巖石地基承載力大于樁腿凈截面插樁力強(qiáng)度的情況。

3.1.3 小結(jié)

由此可見，在中風(fēng)化白云巖層上，樁腿端部凈截面作用于巖層表面時(shí)，樁腿插樁力強(qiáng)度可能大于巖石地基承載力；當(dāng)樁腿全截面受力時(shí)，插樁力強(qiáng)度小于巖體承載能力；即在中風(fēng)化白云巖層上，樁腿最多插入1.5米。

3.2 樁腿水平抗力計(jì)算

按照最不利情況，樁腿停留在中風(fēng)化白云巖表面；此時(shí)樁腿的水平抗力完全由摩擦力提供。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，巖體邊坡內(nèi)摩擦角折減系數(shù) 0.85～0.80，按照不利取0.80，則巖體邊坡內(nèi)摩擦角取32.2°，則樁腿的摩擦系數(shù)為：

μ=tan(32.2-5)=0.51

則樁腿水平抗力如下：

在 2200 噸插樁力作用下，2200*0.51=1122 噸 ＞150 噸；

在 1200 噸插樁力作用下，1200*0.51=612 噸 ＞150 噸；

由上述分析可見，樁腿水平抗力滿足要求。

4 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

拋石船樁腿作用于爆破后的巖質(zhì)邊坡上時(shí)，由于豎向插樁力和水平荷載的共同作用，將會(huì)對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響，需要重點(diǎn)分析豎向插樁力和水平荷載共同作用下，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受節(jié)理面控制，邊坡的破壞主要是由節(jié)理面切割形成的楔形體失穩(wěn)造成的。由于基槽邊坡是人工爆破開挖的，爆破將會(huì)對(duì)原始巖體造成新的不利影響，如造成巖體邊坡表層松動(dòng)，產(chǎn)生新的裂隙面等。沒有辦法對(duì)各個(gè)具體插樁位置的邊坡穩(wěn)定性作出準(zhǔn)確的判斷，缺乏巖層的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)（走向、傾向、傾角、單層厚度等）和節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)，因此需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行多種工況的假設(shè)，并以此為基礎(chǔ)開展分析評(píng)估，插樁作業(yè)前，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行比對(duì)，如遇到危險(xiǎn)狀態(tài)，需要考慮變換插樁位置或進(jìn)行爆破削坡處理。

4.1 基本假設(shè)

巖質(zhì)邊坡的破壞模式有受巖體強(qiáng)度控制的破壞和受結(jié)構(gòu)面控制的破壞兩種。相較于受巖體強(qiáng)度控制的破壞，受結(jié)構(gòu)面控制的破壞更復(fù)雜，其邊坡穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度、傾向傾角等密切相關(guān)。根據(jù)地勘報(bào)告，該地區(qū)的構(gòu)造斷裂十分發(fā)育，根據(jù)統(tǒng)計(jì)值，構(gòu)造方向以北東向、北西向兩組共軛方向?yàn)閮?yōu)勢(shì)方位，但根據(jù)地勘報(bào)告的節(jié)理構(gòu)造方位統(tǒng)計(jì)，各個(gè)方向都有分布，因此無法判定插樁區(qū)域節(jié)理構(gòu)造方位。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了一系列的假設(shè)：

4.1.1 破壞模式假設(shè)

無論是受巖體強(qiáng)度控制的破壞，還是受結(jié)構(gòu)面控制的破壞，邊坡均有可能沿走向與邊坡一致的結(jié)構(gòu)面破壞，也可能產(chǎn)生三維楔體破壞，本文重點(diǎn)對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析，基本破壞模式假定如下：

（1）破壞結(jié)構(gòu)面與坡面走向一致，采用平面滑動(dòng)法評(píng)估邊坡穩(wěn)定性；

（2）巖質(zhì)邊坡呈三維楔體破壞；采用三維楔體法評(píng)估邊坡穩(wěn)定性。

當(dāng)然，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本項(xiàng)目相關(guān)條件，巖質(zhì)邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)的可能性不大，發(fā)生三維楔體破壞的可能性較高。

4.1.2 完整巖體抗剪強(qiáng)度

根據(jù)地勘報(bào)告，對(duì)于中風(fēng)化白云巖，抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：內(nèi)聚力 C=4.17MPa，內(nèi)摩擦角φ為40.24°；因?yàn)閹r質(zhì)邊坡為較破碎~較完整，按不利考慮，則內(nèi)摩擦角折減系數(shù)取為 0.8，內(nèi)聚力折減系數(shù)取0.2；則巖質(zhì)邊坡巖體的設(shè)計(jì)參數(shù)為內(nèi)聚力C=834kPa，內(nèi)摩擦角φ為 32.19°。

4.1.3 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度假設(shè)

假設(shè)結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)了5組結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)（加上設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)摩擦角φ=32.19°共6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)），具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 假設(shè)5組結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

上述假設(shè)數(shù)據(jù)基于結(jié)構(gòu)面為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面，若結(jié)構(gòu)面結(jié)合很差、含泥化夾層，則抗剪強(qiáng)度將會(huì)進(jìn)一步降低，施工過程中需要避開相關(guān)位置進(jìn)行插樁作業(yè)，或者開展一定的地基處理，如爆破削坡等方式保證插樁過程中的邊坡穩(wěn)定性。

4.1.4 破壞面假設(shè)-平面滑動(dòng)法

根據(jù)巖質(zhì)邊坡坡面角度，選取了11組典型破壞結(jié)構(gòu)面傾角展開分析，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面傾角和滑移面高度見表3。

表3 典型結(jié)構(gòu)面傾角和滑移高度

4.1.5 破壞面假設(shè)-三維楔體法

巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)楔體（見圖4），由于結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角的不同，理論上有無數(shù)多種組合，本項(xiàng)目假設(shè)了三組典型組合展開分析，以研究各種不同因素對(duì)于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，尋找影響最大的關(guān)鍵因素，以作為拋石船施工工程中插樁位置選擇的參考。

圖4 滑動(dòng)楔體示意圖

第一組：假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為135和225，楔體高度為12.8米，結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為10~60區(qū)間變化；

第二組：假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為145和215，楔體高度為12.8米，結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為 10~60區(qū)間變化；

第三組：假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為125和235，楔體高度為12.8米，結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為 10~60區(qū)間變化；

第四組：假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為135和225，楔體高度為9米，結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為10 ~60區(qū)間變化；

第五組：假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為135和225，楔體高度為5米，結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為10 ~60區(qū)間變化；

同時(shí)，根據(jù)前文敘述，分別選取6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)與上述五組工況進(jìn)行三維楔體滑動(dòng)法組合分析。

4.2 分析結(jié)果

4.2.1 平面滑動(dòng)法

采用平面滑動(dòng)法對(duì)于上述 66 種工況（6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)組合11種典型結(jié)構(gòu)面傾角）展開分析，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析曲線見圖5。

圖5 平面滑動(dòng)法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析曲線

由上述計(jì)算結(jié)果表格可以得知，

（1）在平面滑動(dòng)破壞的條件下，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度有很大的關(guān)系，抗剪強(qiáng)度越低，巖質(zhì)邊坡計(jì)算所得穩(wěn)定性系數(shù)越低，即穩(wěn)定性越低；

（2）巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)隨結(jié)構(gòu)面傾角增大先減小后增大，結(jié)構(gòu)面傾角 34 度左右邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到最小值；

（3）邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取 1.25，可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度大于 24,76.7kPa 時(shí)，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定滿足要求。

（4）如巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度較低，相應(yīng)邊坡的穩(wěn)定性將不滿足施工安全要求。拋石船插樁作業(yè)之前，需要對(duì)插樁位置的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行評(píng)估，判斷結(jié)構(gòu)面的傾向和抗剪強(qiáng)度的大小，再開展插樁作業(yè)。

4.2.2 三維楔體滑動(dòng)法

選取6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)與五組工況進(jìn)行三維楔體滑動(dòng)法組合分析，安全系數(shù)分析結(jié)果見表4。

取結(jié)構(gòu)面傾向 135 度，結(jié)構(gòu)面 B 傾角 225 度，不同楔體高度的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比，分析結(jié)果見圖6.

圖6 不同楔體高度的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)曲線

由上圖可見，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性隨楔體高度降低而降低。

4.3 小結(jié)

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以得出下列結(jié)論：

（1） 對(duì)于平面滑動(dòng)面，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度密切相關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低時(shí)，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性不滿足要求，存在邊坡滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性。

（2）對(duì)于三維楔體滑動(dòng)面，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與形成楔體的結(jié)構(gòu)面傾角關(guān)系密切，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角不大于 30 度時(shí)，且楔體高度不小于 5 米時(shí)，三維楔體穩(wěn)定；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于 30 度時(shí)，三維楔體的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度、三維破壞楔體的高度、結(jié)構(gòu)面傾向、傾角等因素相關(guān)。

表4 三維楔體滑動(dòng)法安全系數(shù)分析表

5 風(fēng)險(xiǎn)分析

5.1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）由于插樁位置結(jié)構(gòu)面走向、傾向、傾角和抗剪強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏，無法對(duì)于各個(gè)具體插樁位置的邊坡穩(wěn)定性做出評(píng)估；

（2）由于巖體本身的不均勻性、節(jié)理裂隙的存在，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度將顯著小于巖體本身抗剪強(qiáng)度；最不利情況組合下，邊坡穩(wěn)定性將不滿足要求；

（3）沉管隧道的基槽開挖采用爆破方式，爆破有可能會(huì)造成新增不可預(yù)計(jì)裂縫，且裂縫結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度也很難預(yù)測(cè)。

6 建議采取的措施

（1）在基槽爆破完成后，插樁作業(yè)前，對(duì)爆破后邊坡巖體結(jié)構(gòu)的松動(dòng)部分進(jìn)行清除，保證插樁面平整；

（2）對(duì)于插樁位置進(jìn)行詳細(xì)勘察，確定爆破后插樁位置處節(jié)理和裂隙的分布，判斷是否可能形成下滑楔體；

（3）如果爆破后邊坡巖體結(jié)構(gòu)完好，無潛在下滑楔體；或存在硬性結(jié)構(gòu)面的下滑楔體，但相關(guān)參數(shù)在下列建議范圍之內(nèi)，可以進(jìn)行插樁作業(yè)：①與邊坡走向一致的平面滑動(dòng)面，傾角不大于18度；②組成下滑楔體的結(jié)構(gòu)面傾角不大于30度，且楔形體高度不小于5米；③不屬于上述范圍但現(xiàn)場(chǎng)具備條件可以單獨(dú)評(píng)估結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度、產(chǎn)狀詳細(xì)參數(shù)的，可詳細(xì)計(jì)算工況進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性判斷且邊坡穩(wěn)定的；

對(duì)于不屬于上述范圍的情況，或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面結(jié)合很差或極差（含泥化夾層）的情況，建議更換插樁位置或采用爆破等方法削坡。

（4）沉管隧道開挖段應(yīng)保證樁腿距邊坡邊緣至少2m凈距；

（5）插樁作業(yè)必須謹(jǐn)慎操作，嚴(yán)密觀察，一旦出現(xiàn)異常立即停止插樁。